Solução National Instruments

Foi então desenvolvida uma configuração baseada em cada plataforma da NI, CompactRIO e CompactDAQ, para se perceber qual a mais indicada para o sistema. A base das configurações é a mesma, alterando apenas os produtos envolvidos em cada uma das configurações, ou seja, para a solução CompactRIO foram utilizados controladores e chassis CompactRIO e os módulos indicados para estes controladores enquanto que para a solução CompactDAQ foram utilizados controladores e chassis CompactDAQ e módulos indicados para estes controladores. Isto acontece porque existem módulos indicados para controladores CompactRIO que não são indicados para controladores CompactDAQ.

Como dito anteriormente, foi desenvolvida uma configuração semelhante para ambas as plataformas. Esta configuração trata-se de uma solução distribuída em termos geográficos pois utiliza vários controladores e chassis, permitindo várias zonas de aquisição e monitorização de dados respeitando os requisitos.

Atualmente, toda a cablagem que permite a aquisição dos dados da sala e da casa das máquinas situa-se na sala. O objetivo passaria por pôr um controlador nessa zona permitindo também adquirir os dados provenientes do PV pois o número de entradas provenientes desse local seria muito pequeno (T13, T14 e SR). A juntar a isto seria necessário também um chassi na zona do armazenamento térmico, um no armazenamento elétrico, e outro no campo solar, assim como seriam necessários os módulos correspondentes. Na figura 3.7 é apresentada a configuração National Instruments para ambas as plataformas, CompactRIO e CompactDAQ.

Figura 3.6 - Sistema CompactRIO, adaptado de [21]

Chassi cRIO

Monitorização de um Sistema de Poligeração de Energia

Como se pode ver na figura 3.7, a configuração é a mesma para ambas as plataformas possuindo 4 zonas de aquisição de dados. A comunicação como se pode ver em ambas as plataformas seria feita por Ethernet TSN (Time Sensitive Networking), descartando os chassis USB e sem fios que o CompactDAQ possui, pelos motivos já apresentados.

Começando por detalhar a configuração segundo a plataforma CompactRIO, o controlador escolhido possui 8 slots (figura 3.8), o necessário para o número de módulos utilizados na zona constituída pela sala, casa das máquinas e PV. Este controlador apresenta um bom compromisso entre desempenho e custo, sendo por isso o escolhido. Para as restantes zonas escolheu-se o chassi com 4 slots mais económico. (figura 3.9).

Casa das Máquinas PV Campo Solar Armazenamento Elétrico Armazenamento Térmico Sala Controlador Interface Potência Chassi Chassi Chassi Cabos: Modbus

Figura 3.7 - Configuração National Instruments

Foi decidido que o controlador iria adquirir os dados da sala, da casa das máquinas e do PV porque atualmente os cabos de todos os sensores da casa das máquinas e da sala já se encontram na sala. Juntou-se o PV à sala e à casa das máquinas porque o PV possui poucos sinais a serem adquiridos (T13, T14 e SR) e tratando-se de uma zona próxima da sala, o uso de cabos para transmitir o sinal não representaria um problema, caso contrário o uso de cabos seria um inconveniente. Posto isto, vão chegar ao controlador da sala sinais provenientes de termopares, transdutores de pressão, caudalímetros e RTD’s. Para além disto vai ser necessário controlar os atuadores, sendo que estes são 2 motores passo-a-passo, um variador de frequência, uma válvula com o respetivo controlador e 5 relés. Na tabela 5 é possível ver quais os módulos que vão ser utilizados bem como as variáveis que vão permitir adquirir:

Tabela 5 - Módulos NI utilizados na sala, casa das máquinas e PV

Módulo Nº de canais Variáveis a medir Nº de canais livres

NI-9214 16 T1, T2, T3, T4, T5, T8,T9, T10,

T11, T12, T13 e T14

4

NI-9216 8 RTD1, RTDc, RTDe, RTDg e SR 3

NI-9208 16 Pc, Pe, Pg, V1, V2, Ve, Vc e Vh 8

NI-9871 4 VE e VF 1

NI-9485 8 R1, R2, R3, R4 e R5 3

Para além disto os motores passo-a-passo, MP1 e MP2, iriam ligar à porta USB existente no controlador.

Passando para o campo solar seria utilizado o chassi da figura 3.9 para fazer aquisição dos dados, com os módulos apresentados na tabela 6:

Monitorização de um Sistema de Poligeração de Energia

Tabela 6 - Módulos NI utilizados no campo solar

Módulo Nº de canais Variáveis a medir Nº de canais livres

NI-9210 4 T6 e T7 2

NI-9217 4 RTDer 3

NI-9203 8 S 7

Em seguida, para o armazenamento térmico, seria necessário utilizar um chassi igual ao da figura 3.9 juntamente com os módulos para as entradas e saídas apresentados na tabela 7:

Tabela 7 - Módulos NI utilizados no armazenamento térmico

Módulo Nº de canais Variáveis a medir Nº de canais livres

NI-9212 8 T15, T16, T17, T18 e T19 3

NI-9203 8 Vco 7

NI-9482 4 R10 3

Para finalizar, falta apresentar os módulos que seriam utilizados no armazenamento elétrico (tabela 8), sendo que seria necessário também um chassi como o da figura 3.9:

Tabela 8 - Módulos NI utilizados no armazenamento elétrico

Módulo Nº de canais Variáveis a medir Nº de canais livres

NI-9210 4 T20 e T21 2

NI-9203 8 PR1, PR2, N1 e N” 4

NI-9422 8 F 1

NI-9485 8 R6, R7, R8 e R9 4

Falta mencionar que a interface (IP) que permite adquirir os valores de potência produzida, de energia armazenada e de consumo de energia elétrica não tem um local definido e por isso não está presente nas tabelas. No entanto já tem previsto um módulo para a sua aquisição (NI-9871). Este módulo seria o mesmo que o utilizado para o VE e VF, visto que a sua comunicação é feita através de RS485. Esta seria a configuração idealizada para o CompactRIO.

Para o CompactDAQ, a configuração seria semelhante, as únicas diferenças seriam a nível de controladores e chassis como se podem ver nas figuras 3.10 e 3.11, que também foram escolhidos de maneira a serem os mais económicos, satisfazendo os requisitos do sistema, nomeadamente 8 slots para o controlador e 4 para o chassi.

A nível de comunicação entre chassis e controladores, ambas as plataformas comunicam através de Ethernet TSN, sendo que a única diferença entre configurações seria a nível de produtos e de preço de produtos, o que será apresentado mais à frente.

Agora que foram apresentadas as soluções idealizadas a nível de CompactRIO e CompactDAQ, falta falar da solução Beckhoff para depois se comparar as diferentes soluções e perceber qual a mais indicada.

3.3 Beckhoff

A Beckhoff é uma empresa alemã, fabricante de tecnologia de automação. A Beckhoff implementa sistemas de automação baseados na tecnologia PC Control e para isso possui uma vasta linha de produtos que vai desde PC’s industriais, módulos de entrada e saída ou softwares de automação. Os seus produtos podem ser vendidos separadamente, representando apenas uma solução simples, ou então quando se pretende uma solução mais complexa podem ser vendidos como um todo agregando o PC industrial, os diferentes módulos de entrada e saída, as comunicações necessárias e o software [24]. Com isto em mente, o estudo de uma solução da

Beckhoff, através de um PLC, surgiu como uma escolha óbvia para este projeto.

O PLC é um computador digital usado para a automação de processos eletromecânicos. Inicialmente foi desenvolvido para substituir circuitos de relés sequenciais, mas atualmente é utilizado em diversas indústrias que incluam processos automáticos. O modo de funcionamento

Figura 3.10 - Controlador cDAQ-9133 [21]

Monitorização de um Sistema de Poligeração de Energia

de um PLC assenta num programa, via software, que consoante o valor recebido das entradas e do seu estado, ativa ou desativa as suas saídas [25]. Por serem na sua maioria utilizados em ambiente industrial, os PLC foram projetados para suportarem uma vasta gama de temperaturas, serem imunes a ruídos elétricos, resistentes a vibrações e impactos e também para terem várias entradas e saídas como já referido anteriormente, para além disto são um exemplo de sistema em tempo real [26].

Na figura 3.12 é possível ver um exemplo de um PLC da Beckhoff.

A Beckhoff ao longo dos anos tem desenvolvido tecnologia criando o TwinCAT, a nível de software, que constitui o núcleo do sistema de controlo. O sistema de software TwinCAT permite transformar quase qualquer sistema baseado em PC num sistema controlado em tempo real com vários tempos de execução. Por isto os PLC’s estão todos implementados com o software TwinCAT. Os PLC TwinCAT são programados de acordo com a IEC 61131-3 e oferecem todas as linguagens de programação da norma [24].